Cuiseur solaire parabole

Notre cuiseur solaire: tutorial complet avec étude, création et réalisation pour cette auto construction éco-construite.

1. Principe

Il existe deux catégories de cuiseurs solaires. Les fours solaires que l'ont peut apparenter à un four traditionnel et les paraboles solaires que l'on peut plutôt associer aux plaques de cuisson. Les deux produits sont complémentaires même si certains propriétaires utilisent les paraboles solaires avec des marmites pour les transformer en four. A l'usage ce n'est pas le plus commode.
Cette page est dédiée à la parabole solaire ou barbecue solaire.

2. Etude du soleil

En tout premier lieux il est préférable d'étudier les conditions d'ensoleillement du site où va être installé la parabole solaire.
A noter que cette étude peut servir pour tous les procédés utilisant le soleil comme source d'énergie, c'est à dire parabole solaire, four solaire et bien sur panneaux photovoltaïques et panneaux thermiques.

2.1 Pourquoi?

Ce sont ces données qui vont déterminer avec la taille et la forme de la parabole solaire, la puissance de l'installation.

Pour synthétiser plus la parabole est grande plus la puissance est importante ce qui permet de limiter le nombre de ré-orientation pendant la cuisson. En revanche elle est beaucoup plus encombrante, susceptible d'être aussi renversée par le vent (A NE PAS NéGLIGER).
Une parabole trop petite pose un problème de puissance et demande constamment d'être ré-orientée par rapport au soleil pour en tirer le maximum de puissance.

2.2 Le soleil le fournisseur de puissance

Voici les données et diagrammes de puissance de notre site calculées à l'aide de cet outil exposition solaire de Lyon.

Ensoleillement en fonction des mois et des heures

Tableau de la puissance moyenne par mois

Si nous souhaitons utiliser la parabole solaire pour cuire en décembre nous disposons d'une puissance moyenne de 0,94 kWh/m2/jour (940Wh/m2/jour)

Elévation du soleil en fonction des mois

Sur ce diagramme et avec les données du tableau précédent on peut lire que le 'pire jour de l'année' est le solstice de décembre puisque la puissance est la plus faible (0,94 kWh/m2/jour) et le soleil est le plus bas l'équinox donnant un angle de 20° (point d'intersection de la courbe bleue et du rayon marqué 'S' comme South)

2.2 Récupération et recyclage

Les plaques sont des supports offset d'imprimerie recyclées. Elles mesurent 724x615mm sur la partie exploitable, dont on retiendra 72 sur 61 cm pour les calculs avec le logiciel .

2.3 Calculs

L'objectif de ce paragraphe est de sensibiliser le lecteur au besoin de calculer sa parabole en utilisant un outil et en faisant des itérations jusqu'à trouver des valeurs acceptables.
Pour donner des ordres de grandeurs:
  • les paraboles du commerce font entre 1 et 2m de diamètre. Les modèles les plus petits étant compatibles avec des balcons mais offrent une puissance moindre.
  • une plaque de chauffe traditionnelle (énergie gaz ou électrique) fait entre 1 500 et 3 500 w de puissance

Attention!
Le logiciel utilise à tord le mot longueur pour la partie la plus courte et largeur pour celle la plus longue. C'est pourquoi dans tous les calculs suivants la feuille est utilisée avec L < l (longueur < largeur)

2.3.1 Cas d'une "pale"dans une seule feuille (sans ra-boutage)

En prenant les dimensions d'une seule plaque (pas de raboutage) voici le schéma global de la parabole

Le point de focal (zone de chauffe maximale) est simulé par la casserole en noir où se concentrent les rayons du soleil re-dirigés.

La parabole fait 112 cm de diamètre. Le tableau de puissance donne seulement 837 W de puissance maximale ce qui est trop faible. Si pour cuire à basse température cette valeur est suffisante, elle oblige de constamment ré-orienter la parabole pour optimiser la puissance. 

Diam.longeur d'Arcarc'trou c/cAire eff. /m²P max/W
000000
2010.066102.60.031427
4020.5220.35.20.1257107
6031.71131.47.80.2827240
8043.92543.510.40.5027427
10057.38556.9130.7854668
11266.1365.614.60.9852837
Diam.longeur d'Arcarc'trou c/cAire eff. /m²P max/W

-> La parabole est trop peu puissante il faut augmenter le diamètre

2.3.2 Calcul d'une "pale"dans deux feuilles (avec ra-boutage) dans le sens de la longueur

Si deux plaques sont assemblées en bout dans le sens de la longueur avec 30mm de recouvrement on obtient une plaque de (72*2)-3 soit 141cm par 61.

Avec une longueur de focale de 25cm la parabole fait 188 cm de diamètre ce qui commence à être volumineux pour une puissance de 2 360W en crête ce qui est très correcte. En revanche la casserole est tout au fond ce qui en terme d'accessibilité et de sécurité n'est pas optimal.



Diam.longeur d'Arcarc'trou c/cAire eff. /m²P max/W
000000
2010.066102.60.031427
4020.5220.35.20.1257107
6031.71131.47.80.2827240
8043.92543.510.40.5027427
10057.38556.9130.7854668
12072.25671.615.61.131961
14088.6687.918.21.53941308
160106.691105.820.82.01061709
180126.417125.323.42.54472163
188134.794133.624.62.77592360
Diam.longeur d'Arcarc'trou c/cAire eff. /m²P max/W


Avec une longueur de focale de 50cm la parabole fait 225 cm de diamètre ce qui est énorme pour une puissance de presque 3 400 W en crête! La casserole est haute ce qui aide pour l'atteindre l'atteindre mais avec un diamètre de 225 elle est très loin du bord.


Diam.longeur d'Arcarc'trou c/cAire eff. /m²P max/W
000000
2010.0169.92.60.031427
4020.132205.20.1257107
6030.44430.27.80.2827240
8041.04340.710.40.5027427
10052.01251.6130.7854668
12063.42862.915.61.131961
14075.35774.718.21.53941308
16087.85987.120.82.01061709
180100.985100.123.42.54472163
200114.779113.826.23.14162670
220129.28128.228.83.80133231
225.6134.461133.329.43.99733398
Diam.longeur d'Arcarc'trou c/cAire eff. /m²P max/W

-> la parabole est trop grande, il faut arriver à diminuer son volume

2.3.3 Calcul d'une "pale"dans 1,5 feuilles (avec ra-boutage) dans le sens de la longueur et d'une focale de 25 cm

Si un plaque entière et une demi-plaque sont assemblées en bout dans le sens de la longueur avec 30mm de recouvrement on obtient une plaque de (72*1,5)-3 soit 105 cm par 61.

Avec une focale de 25 cm la parabole fait 152 cm de diamètre ce qui est entre les deux versions précédentes, pour une puissance de 1 542W. 


Diam.longeur d'Arcarc'trou c/cAire eff. /m²P max/W
000000
2010.066102.60.031427
4020.5220.35.20.1257107
6031.71131.47.80.2827240
8043.92543.510.40.5027427
10057.38556.9130.7854668
12072.25671.615.61.131961
14088.6687.918.21.53941308
15299.27998.419.81.81461542
Diam.longeur d'Arcarc'trou c/cAire eff. /m²P max/W

2.3.4 Calcul d'une "pale"dans 1,5 feuilles (avec ra-boutage) dans le sens de la longueur et d'une focale de 35 cm

Les mêmes données de feuilles mais avec une focale de 35 cm donnent 168 cm de diamètre et une puissance max de 1 884 W



Diam.longeur d'Arcarc'trou c/cAire eff. /m²P max/W
000000
2010.0339.92.60.031427
4020.26720.15.20.1257107
6030.89330.67.80.2827240
8042.07841.710.40.5027427
10053.97153.5130.7854668
12066.69366.115.61.131961
14080.34279.718.21.53941308
16095.00194.220.82.01061709
168101.162100.3222.21671884
Diam.longeur d'Arcarc'trou c/cAire eff. /m²P max/W

- > C'est cette dimension qui est choisie.

2.3.5 Plans d'une "pale"dans 1,5 feuilles (avec ra-boutage) dans le sens de la longueur et d'une focale de 35 cm

Voici les plans des pièces que fournit le logiciel. Attention ces cotes sont directement liées aux dimensions ci-dessus, donc si vous souhaitez faire une version avec d'autres dimensions les plans ci-dessous ne sont pas les bons.


3. Réalisation du prototype

J'ai procédé à la construction d'une première version en limitant d'office la recherche de la qualité et de finition. J'ai limité les objectifs à:

  • vérifier la fonctionnalité du produit fini
  • mettre en oeuvre des matériaux et construire des formes géométriques complexes
  • imaginer les montages qui permettent de réaliser le produit
  • mettre au point un tutorial précis et ordonnancé 

3.1 La construction de la parabole

Attention cet ordonnancement n'est pas optimal. C'est ce que le prototype a démontré. Suivez plutôt les instructions du modèle final.

3.1.1 Construction du gabarit pour tracer les découpes et les perçages des plaques

La gabarit est fait dans une planche de récupération plus grande que le besoin


Un tasseau est fixé en bout pour servir de buté
La planche est tracée à l'aide des côtes que le logiciel a donné.
La planche a été coupée et le second tasseau vissé à l'autre extrémité. Grâce à eux, les deux plaques en aluminium vont être raboutées en étant maintenues de part et d'autre pendant l'opération de perçage et usinées en même temps pour augmenter la précision.
Vue de l'autre coté au même stade
Toutes les cotes pour les trous d'assemblages sont tracés et pré-percés avec un foret de 2mm.
Les trous seront agrandis à la perceuse à colonne au diamètre final des trous nécessaires à la pose des rivets pour assembler toutes les pales.
Un contre cadre a été construit pour s'insérer en force entre les deux tasseaux. Il fait exactement la taille de la planche de dessous et du résultat escompté sur la feuille d'aluminium
Voici le système prêt à être utilisé la feuille d'aluminium a été prise en sandwich entre la planche et le contre cadre le tout maintenu par deux serre-joint automatiques.

3.1.2 Découpe des tôles en aluminium

photoSur ces essais plusieurs feuilles ont été découpées en même temps avec la scie circulaire. Elles sont superposées par lot de 5 les une au dessus des autres.
La découpe est de plus en plus hachée au fur et à mesure que l'on avance. le métal se déchire plus qu'il n'est coupé, la feuille du dessous est fortement endommagée, pratiquement inexploitable.
photoUtilisation d'une cisaille à découper le métal
photoLes feuilles sont coupées une à une ce qui est peut être plus fastidieux, mais finalement ce n'est pas une perte de temps. Le temps gagné en découpant à la scié circulaire plusieurs feuilles en même temps est totalement perdu à la remise en état des feuilles du dessous.
Toutes les feuilles ont été reprises avec la cisaille pour obtenir un résultat tout juste satisfaisant

3.1.3 Perçage des tôles en aluminium

photoSur ces essais plusieurs feuilles ont été percées en même temps. Elles sont superposées par lot de cinq les une au dessus des autres. Le maintient des feuilles l'une par rapport à l'autre pendant les opérations de perçage est délicat, les feuilles glissent l'une au dessus de l'autre.

3.1.4 Assemblage des plaques entre elles pour former la parabole prototype

300 rivets plus loin, voilà le résultat. On ne dirait pas à voir comme cela mais la parabole fait 1m68 de diamètre ce qui est vraiment imposant. Pour aller mettre les derniers rivets tout au bout, il faut de grands bras. A mon avis c'est la taille maximale que l'on peut faire avant d'avoir de sérieux problèmes d'assemblage.

La parabole qui fait une surface de 2m2 est se transforme en voile au moindre coup de vent.
Nous découvrons notre erreur d'avoir commencé par cette pièce dans la séquence de construction car nous allons la retrouver à l'autre bout du jardin plusieurs matins de suite. Il faut finir la construction par cette pièce. C'était aussi le but du prototype, éliminer les obstacles.

3.2 La construction d'un prototype de cerclage de renfort

Pour maintenir et orienter la parabole il faut un système basculant qui la met en face du soleil.
La construction de la parabole avec des feuilles d'aluminium mince ne permet pas de se prendre directement dessus. Même avec des rivets vu sa taille son propre poids tend à la déformer. Il faut donc réaliser un renfort.
J'opte pour un renfort circulaire en bois tout autour de la couronne sur lequel deux pivots seront installés et mettre la rotation de la parabole.
La construction est composée de 24 morceaux de bois assemblés entre eux pour affecter un 360°.
Ce qui nous donne 360/24=15° entre chaque pièce.

Mon premier essai utilise pour l'assemblage le système de lamello.
C'est une pièce de bois comprimé et faite de lames en sandwich comme le contre plaqué. Elle est de forme ovale et est beaucoup utilisée pour assembler les bois type agglomérés, malaminés... Elle permet d'assembler avec une assez grande précision tranche contre tranche, plan contre champs, plan contre plan. Il faut veiller à utiliser des bois suffisamment épais pour que la rainure ne fragilise pas trop le montage. Les trois pièces sont collées ensemble pour un assemblage définitif.

Dans le cas présent, cela m'a permis de faire un prototype fonctionnel assez rapidement, mais qui a prouvé assez vite ses limites pour deux raisons:
- la mise en oeuvre fastidieuse pour tenir assemblé les deux morceaux. J'ai assemblé les morceaux 1 par 1, puis 2 par 2, puis 4 par 4, enfin les trois morceaux de 8 ont été assemblés par vis avec contrefort. A partir de 4 par 4 il est difficile de maintenir le bon angle avec la gravité et le poids des pièces même si en utilisant un étau assez large ou des serre-joints.
- le micro défaut d'angle répété 24 fois finit par faire plusieurs degrés. En assemblant les morceaux par lot il fallut plus tricher sur les 3 dernières jointures, même si pour un proto fait très vite, l'écart n'est pas si important.

Voici le prototype assemblé (parabole + cercle) et posé à plat. Il fait 1m60 de diamètre pour que la parabole puisse s'y poser.
Des renforts ont été posés sous les assemblages par vis. La rigidité n'est pas suffisante, le cercle ploie dans les manoeuvres et même sous son propre poids.

Détail d'un renfort fait rapidement pour éviter que le cercle ne casse. La parabole à quelques défaut, comme cette lame qui relève.
Sur le papier il est difficile de se rendre compte de certaines notions. Une voile de 2m2 permet de propulser une planche à voile, cela donne une idée des contraintes que la parabole va subir les jours de vents, même si l'on ne cuisine pas. Il aussi impératif de penser à une possibilité de la mettre en sécurité, lorsqu'elle qu'elle n'est pas utilisée. Il faut prévoir, le vent mais aussi la neige qui peut jouer de mauvais tours.
En conclusion, le cerclage est une pièce maitresse de la parabole. Elle joue un rôle primordiale pour le maintien et la longévité de la parabole. Ce serait bête de perdre au premier coup de vent un bricolage qui se chiffre en plusieurs dizaines d'heures.

4. Le modèle 1.0

4.1 La construction d'un cerclage de renfort 1.0

Le premier cerclage ayant très vite montré ses limites, il fallut trouver une autre solution et la mettre en oeuvre. Je suis resté que le concept de la récupération et l'assemblage de 24 segments mais cette fois avec une découpe de ce type.
Toutes les pièces sont faites dans de la récupération de chevalet résineux. Elles sont usinées à la scie plongeante mais peuvent être faites avec une scie à onglet.
Le voici complètement assemblé.  6 morceaux de 4 pré-assemblage devaient faire le cercle complet. Malgré un test en amont qui vérifiait les angles, une fois les pré-assemblages effectués il y un gros défaut d'alignement.
La moindre petite erreur sur le réglage de la scié répétée 48 fois et voilà le résultat. Coup de chance en enlevant un morceau l'assemblage est presque parfait. Le diamètre sera légèrement réduit (de 23 sur 24) soit moins de 5%
Le renfort 1.0 est posé sur le prototype qui s'écroule. Le prototype ne donne pas satisfaction car il y a une mauvaise liaison entre les éléments, l'utilisation d'une colle qui ne résiste pas au gel ni aux intempéries. De toute façon ce n'était pas fait pour durer.

4.2 La construction des pieds


Les pieds ont été construits dans de la cornière de 40x40mm. Ils sont prévus pour les efforts mécaniques importants, mais en revanche nécessaires pour faire une assise suffisante quand le vent est présent. Les pieds sont démontables pour transporter de la parabole.
Les roues ont été récupérées sur du matériel médical trouvé en déchèterie que la maison de santé avait jeté et qu'aucune associations ou établissement limitrophe n'a voulu récupérer... Dans quel monde vivons nous? 
Pour rigidifier l'ensemble sans avoir quand même trop de poids (transport), tout à a été contre venté avec des haubans.

4.3 La construction de la liaison cerclage/pieds

le système de pivot est placé exactement à la hauteur de focale.
C'est une astuce importante, cela permet de confondre le centre de gravité de l'appuie de la casserole avec l'axe de rotation, ce qui ne va pas engendrer un contre couple sur le système de serrage. Les manoeuvres ne demandent aucun effort pour vaincre la gravité le système étant quasiment équilibré.

Le système de serrage a été récupéré sur des parties de matériel médical. (Quelle tristesse de voir ce qui peut se jeter).


4.4 Les roues

Gros plan sur une roue, son système de maintien, un renfort et le début d'un hauban.

4.5 Vue d'ensemble de la parabole 1.0 (sans le système pour tenir les casseroles)

Essais au milieu de la construction
Une brique d'un litre de boisson a été placée au centre pour donner une idée de la taille. 1m60 de diamètre donne une installation imposante!

5. Modifications futures?

6. Sources et informations

Exemple en carton avec revêtement 
Source VPC pour achat du film et plans de fours solaires
Four solaire avec traceur (un must!)
Modèle DIY simple et léger en carton
Modèle du commerce de conception française le IDCOOK
Matériel et plans de construction de four solaire
Modèle breveté d'André AZEMA pour suivre le soleil
Un modèle en auto construction
Second modèle en auto-construction avec des plans
Un modèle sur le forum APPER solaire
Une marque connue "Idcook"


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